KR20170004420A - 발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지 - Google Patents

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KR20170004420A KR1020150094741A KR20150094741A KR20170004420A KR 20170004420 A KR20170004420 A KR 20170004420A KR 1020150094741 A KR1020150094741 A KR 1020150094741A KR 20150094741 A KR20150094741 A KR 20150094741A KR 20170004420 A KR20170004420 A KR 20170004420A
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Abstract

실시예는 기판; 및 상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고, 상기 발광 구조물의 활성층은 서로 다른 결정면을 가지는 제1 발광면과 제2 발광면을 포함하는 발광소자를 제공한다.

Description

발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지{LIGHT EMITTNG DEVICE AND LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE INCLUDING THE SAME}
실시예는 발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 3-5 족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자 공학 분야(optoelectronics)와 전자 소자를 위해 등에 널리 사용된다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이다.
종래의 발광소자(100)는 사파이어 등으로 이루어진 기판(110) 위에 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광구조물(120)이 형성되고, 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 상에 각각 제1 전극(150)과 제2 전극(160)이 배치된다.
발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(122)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(124)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 활성층(124)에서 방출되는 빛은 활성층(124)을 이루는 물질의 조성에 따라 다를 수 있으며, 청색광이나 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 또는 다른 파장 영역의 광일 수 있다.
활성층(124)은 이중 접합 구조(Double Hetero Junction Structure), 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 등으로 형성될 수 있다.
상술한 종래의 발광소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
기판과 발광 구조물은 이종의 재료이므로 격자 상수 부정합(lattice mismatch)이 매우 크고 이들 사이에 열 팽창 계수 차이도 매우 크기 때문에, 결정성을 악화시키는 전위(dislocation), 멜트 백(melt-back), 크랙(crack), 피트(pit), 표면 모폴로지(surface morphology) 불량 등이 발생할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하고자 도 1에 도시된 바와 같이 버퍼층(115)을 형성할 수도 있으나, 전위가 여전히 형성되어 발광 구조물의 품질을 악화시킬 수도 있다.
상술한 결정 결함으로 인하여 활성층에서 방출된 빛에너지가 열에너지로 변환되어 외부로 방출되어 광효율이 저하될 수 있다.
상술한 문제점을 해결하고자 도 2의 발광소자가 제안되고 있다.
도 2의 발광소자(300)는 발광 구조물(220)이 나노 로드(nano rod) 형상으로 배치되고 있다. 마스크층(280)를 통하여 부분적으로 성장된 제1 도전형 반도체층(222)의 둘레에 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)이 성장되고 있으며, 각각의 나노 로드의 사이를 투광성 도전층(270)이 채우고, 제1 도전형 반도체층(222)과 투광성 도전층(270) 상에 각각 제1 전극(265)과 제2 전극(275)이 배치된다.
그리고, 발광소자(200)의 주변에 형광체가 배치되어, 발광소자(200)에서 방출되는 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
도 2의 발광소자(200)는 발광 구조물(220)이 나노 로드 형상으로 성장되어, 상술한 전위 등의 발생을 줄일 수 있다.
그러나, 종래의 나노 로드 형상의 발광 구조물(220)은 전위 등의 결정 결함이 감소할 수는 있으나, 각각의 나노 로드 형상의 발광 구조물(220)에서 방출되는 제1 파장 영역의 광에 의하여 형광체를 여기시키고 형광체에서 제2 파장 영역의 광이 방출되므로, 빛이 일부 손실되고 색온도나 연색 지수 등의 조절에 어려움이 있다.
실시예는 발광 구조물의 성장에서 전위 등의 결정 결함을 감소시키고, 발광소자 패키지에서 광의 손실을 줄이고 색온도나 연색 지수 등을 용이하게 조절하고자 한다.
실시예는 기판; 및 상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고, 상기 발광 구조물의 활성층은 서로 다른 결정면을 가지는 제1 발광면과 제2 발광면을 포함하는 발광소자를 제공한다.
발광 구조물은 서로 다른 형상을 가지는 제1 발광 구조물과 제2 발광 구조물을 포함할 수 있다.
제1 발광면과 제2 발광면은 각각 제1 발광 구조물과 제2 발광 구조물 상에 배치될 수 있다.
제1 발광면은 결정면이 무극성일 수 있고, 제1 발광면은 황색 또는 녹색 파장 영역의 광을 방출할 수 있다.
제2 발광면은 결정면이 반극성이고, 청색 파장 영역의 광을 방출할 수 있다.
다른 실시예는 기판; 및 상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고, 상기 발광 구조물은 서로 다른 형상의 제1 발광 구조물과 제2 발광 구조물을 포함하고, 상기 제1 발광 구조물은 플랫 탑과 경사면을 가지고, 상기 제2 발광 구조물은 측면을 가지는 발광소자를 제공한다.
제2 발광 구조물의 측면은 수직면 또는 경사면일 수 있다.
제1 발광 구조물의 활성층은 서로 다른 결정면을 가지는 상기 플랫 탑의 제1 발광면과 상기 경사면의 제2 발광면을 포함할 수 있다.
제2 발광 구조물은 제3 발광면을 포함할 수 있다.
제1 발광면 내지 제3 발광면은 서로 다른 파장 영역의 광을 방출할 수 있다.
실시예들에 따른 발광소자는, 나노 스케일의 발광 구조물의 성장에서 전위 등의 결정 결함을 감소시켜서 품질이 향상될 수 있다. 그리고, 나노 스케일의 발광 구조물의 경사진 측면과 플랫한 상부면이 서로 다른 결정면을 가져서 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하거나, 서로 다른 형상의 발광 구조물의 측면과 상부면 등이 서로 다른 결정면을 가져서 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하므로, 형광체 없이 백색광을 구현할 수 있어서 발광소자 패키지의 광의 손실을 줄이고 색온도나 연색 지수 등을 용이하게 조절할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 발광소자를 나타낸 도면이고,
도 3은 발광소자의 제1 실시예의 단면도이고,
도 4는 발광소자의 제2 실시예의 단면도이고,
도 5는 발광소자의 제3 실시예의 단면도이고,
도 6은 발광소자에서 방출되는 광의 파장 분포를 나타낸 도면이고,
도 7은 발광소자가 플립 칩 타입으로 배치된 발광소자 패키지를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 상(위) 또는 하(아래)(on or under) 등으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 3은 발광소자의 제1 실시예의 단면도이다.
발광소자(300)는 기판(310)과, 기판 상의 나노 로드 형상의 제1 발광 구조물(rod 1)과, 각각의 제1 발광 구조물(rod 1) 사이의 갭(gap)을 채우는 갭 필링층(gap filling layer, 370)과 제1 전극(365)과 제2 전극(375)을 포함할 수 있다.
기판(310)는 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 사파이어(Al2O3), SiO2, SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
사파이어 등으로 기판(310)를 형성하고, 기판(310) 상에 GaN이나 AlGaN 등을 포함하는 발광 구조물(320)이 배치될 때, GaN이나 AlGaN과 사파이어 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)이 매우 크고 이들 사이에 열 팽창 계수 차이도 매우 크기 때문에, 결정성을 악화시키는 전위(dislocation), 멜트 백(melt-back), 크랙(crack), 피트(pit), 표면 모폴로지(surface morphology) 불량 등이 발생할 수 있으므로, AlN 등으로 버퍼층(미도시)을 형성할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 버퍼층(미도시)과 발광구조물(320)의 사이에는 언도프드 GaN층이나 AlGaN층이 배치되어, 발광구조물(220) 내로 상술한 전위 등이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
발광 구조물(320)은 제1 도전형 반도체층(322)과 활성층(324) 및 제2 도전형 반도체층(326)을 포함하고, 발광 구조물(320)은 복수 개의 나노 로드(nano rod) 형상의 제1 발광 구조물(rod 1)의 형상을 이룬다.
제1 도전형 반도체층(322)은 베이스층(322a)과 돌출 구조물(322b)을 포함하는데, 베이스층(322a)은 기판(310)의 전면 상에 얇은 박막으로 형성될 수 있고, 돌출 구조물(322b)은 베이스층(322a) 상에서 마스크(380) 사이로 오픈된 영역에서 성장되어 이루어진다.
돌출 구조물(322b) 또는 제1 발광 구조물(rod 1)은 도시된 바와 같이 베이스층(322a)으로부터 연장되어 배치되는 경사면과, 상기 경사면의 상부에 플랫(flat)하게 배치되며 상기 베이스층(322a)의 표면과 나란한 상부면을 포함한다. 이때, 상술한 상부면을 플랫 탑(flat top)이라 할 수도 있다.
제1 발광 구조물(rod 1)에 대하여 상세히 설명한다.
돌출 구조물(322b)은 수평 방향의 크기(R)가 나노 스케일이나, 경우에 따라서 10 마이크로 미터 내외의 스케일을 가질 수 있다. 돌출 구조물(322b)의 수평 방향의 크기(R)는 인접한 마스크층(380) 사이의 거리(d)보다 클 수 있으며, 예를 들면 R은 d의 2배 이상일 수 있다. 상술한 거리(d)는 베이스층(322a)으로부터 돌출 구조물(322b)이 성장될 수 있는, 인접한 마스크층(380) 사이의 개구부의 직경일 수 있다.
제1 도전형 반도체층(322)에서 베이스층(322a)의 높이(h1)는 100 나노미터 내지 10 마이크로 미터일 수 있는데, 100 나노미터보다 작으면 제1 도전형 반도체층(322)의 성장에 충분하지 않을 수 있고, 10 마이크로 미터보다 크면 제1 발광 구조물(rod 1)의 두께가 너무 증가할 수 있다.
돌출 구조물(322b)의 높이(h2)와 돌출 구조물(322b) 사이의 피치(pitch. P)는, 제1 발광 구조물(R)에서 방출되는 빛의 파장과 광량에 따라 다를 수 있으며, 후술하는 실시예들에서도 동일하다.
돌출 구조물(322b)의 단면은 6각 기둥이거나 원형 또는 다각형일 수 있고, 각각의 돌출 구조물은 규칙적인 배열 외에 불규칙하게도 배치될 수 있으며, 각각의 돌출 구조물의 크기나 형상은 서로 같을 수 있으나 다를 수도 있다.
도 3에서, 베이스층(322a)과 돌출 구조물(322b)을 점선으로 구획하고 있으나 동일한 재료로 이루어질 수 있고, 마스크층(380)를 사용하기 이전과 이후에 각각 성장될 수 있다.
마스크층(380)는 베이스층(322a)과 돌출 구조물(322b)를 나눌 수 있고, 또한 각각의 돌출 구조물(322b)을 나눌 수도 있다. 마스크층(380)은 제1 도전형 반도체층(322) 중 베이스층(322a)을 성장시킨 이후에 배치되고 돌출 구조물(322b)이 보다 작은 단면적으로 성장되게 할 수 있다. 상술한 마스크층(380)은 돌출 구조물(322b)이 성장된 이후에 제거되고 그 이후에 활성층(324)과 제2 도전형 반도체층(326)이 성장될 수 있으며, 후술하는 실시예들에서도 동일하다.
제1 도전형 반도체층(322)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(322)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0=x=1, 0=y=1, 0=x+y=1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(322)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(322)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(324)은 돌출 구조물(322b)의 둘레에 얇은 박막으로 성장될 수 있고, 제2 도전형 반도체층(326)은 활성층(324)의 둘레와 마스크층(380) 상에 얇은 박막으로 각각 형성될 수 있다.
활성층(324)은 제1 도전형 반도체층(322)과 제2 도전형 반도체층(326) 사이에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(324)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(326)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(326)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(326)은 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0=x=1, 0=y=1, 0=x+y=1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 제2 도전형 반도체층(326)이 AlxGa(1-x)N으로 이루어질 수 있다.
제2 도전형 반도체층(326)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(326)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도시되지는 않았으나, 활성층(324)과 제2 도전형 반도체층(326)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer)이 배치될 수 있다. 전자 차단층은 초격자(superlattice) 구조로 이루어질 수 있는데, 초격자는 예를 들어 제2 도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있고, 알루미늄의 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교번하여 배치될 수도 있다.
제1 발광 구조물(rod 1)들의 사이에는 갭(gap)이 존재하고, 각각의 갭에는 갭 필링층(gap filling layer, 370)이 배치될 수 있으며, 갭 필링층(370)은 금속층으로 이루어지고 전기도금(electroplating)으로 형성될 수 있다.
갭 필링층(370)은 도전성 재료로 이루어져서, 제1 발광 구조물(rod 1)을 안정적으로 지지하고 또한 제2 도전형 반도체층(326)의 전영역에 고루 정공 내지 전자를 공급할 수 있다.
제1 전극(365)을 제2 전극(375)과 동일한 높이에 형성하기 위하여, 제1 발광 구조물(rod 1)과 인접하여 갭 필링층(360)을 별도로 형성할 수 있는데, 2개의 갭 필링층(360, 370)은 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
제2 도전형 반도체층(326)의 표면에는 도전층(미도시)이 배치될 수 있다.
도전층은 오믹 특성을 가지면서 광투과율이 높을 수 있고, 상세하게는 투명 전도성 산화물 또는 혼합 금속 산화물을 포함할 수 있고, 보다 상세하게는 투명 도전성 산화물은 ITO, IZO, AZO, ZnO, SnOx일 수 있고, 혼합 금속 산화물은 RuOx, IrOx, PtOx일 수 있다.
도시되지는 않았으나, 도전층의 둘레에는 도전층과 갭 필링층(370)의 사이에 반사층이 배치될 수 있는데, 반사층은 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 로듐(Rh) 중 어느 하나이거나 이들의 합금일 수 있다. 반사층은 특히 발광소자 패키지 내에서 발광소자(300)가 상,하가 역전되어 배치될 때, 활성층(324)에서 방출된 광을 상부면으로 반사시킬 수 있다.
갭 필링층(360, 370) 상에는 각각 제1 전극(365)과 제2 전극(375)이 배치될 수 있다. 제1 전극(365)과 제2 전극(375)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
나노 스케일의 제1 발광 구조물(rod 1)에 전극을 형성할 때 제1 발광 구조물(rod 1)의 종횡비로 인하여 안정적인 전극 배치가 어렵고, 제1 발광 구조물(rod 1)의 상부면에 전극이 형성되면 제1 발광 구조물(rod 1)의 전면적에 전류를 공급하기 어려울 수 있으나, 도전층이 전기 도금법 등으로 갭 필링층(370)으로 형성되어 제1 발광 구조물(rod 1)을 안정적으로 지지하고, 또한 도전층은 플랫한 표면을 가져서 발광소자를 발광소자 패키지에 배치할 때 범프를 사용하지 않고 회로기판 상의 전극 패드에 발광소자의 제1 전극(365)과 제2 전극(375)을 직접 본딩할 수 있다.
본 실시예에서 돌출 구조물(322b) 내지 제1 발광 구조물(rod 1)의 상부면에서 제1 파장 영역의 광(λ1)이 방출되고, 경사면에서 제2 파장 영역의 광(λ2)이 방출될 수 있다. 예를 들면, 돌출 구조물(322b) 내지 제1 발광 구조물(rod 1)의 플랫한 상부면이 결정 결함이 없는 [0001]면을 이루고 경사면이 반극성(semi-polar)의 [101-1]면 또는 [112-2]을 이룰 경우, 상부면에서 방출되는 제1 파장 영역의 광(λ1)은 황색 또는 녹색 파장 영역의 광일 수 있고, 경사면에서 제2 파장 영역의 광(λ2)은 청색 파장 영역의 광일 수 있다.
도 4는 발광소자의 제2 실시예의 단면도이다.
이하에서 발광소자의 제2 실시예를 설명하되, 상술한 제1 실시예와의 차이점을 위주로 설명한다.
본 실시예에 따른 발광소자(400)는 발광 구조물의 형상이 제1 실시예와 상이하다. 즉, 서로 형상이 다른 제1 발광 구조물(rod 1)과 제2 발광 구조물(rod 2)이 배치되는데, 도 4에서 각각 2개의 제1 발광 구조물(rod 1)과 제2 발광 구조물(rod 2)이 배치되는데, 도시된 것보다 훨씬 많은 개수의 제1 발광 구조물(rod 1)과 제2 발광 구조물(rod 2)이 구비되나, 제조 공정을 고려하면 발광소자(400)의 제1 영역에는 제1 발광 구조물(rod 1)이 구비되고 제2 영역에는 제2 발광 구조물(rod 2)이 구비될 수 있다.
마스크층(480)은 베이스층(422a)과 돌출 구조물(422b)를 나눌 수 있고, 제1 발광 구조물(rod 1)과 인접한 영역과, 제2 발광 구조물(rod 2)과 인접한 영역에서 마스크층(480) 사이의 이격 간격은 서로 다를 수 있다.
제1 발광 구조물(rod 1)은 도시된 바와 같이 베이스층(422a)으로부터 연장되어 배치되는 경사면과, 상기 경사면의 상부에 플랫(flat)하게 배치되며 상기 베이스층(422a)의 표면과 나란한 상부면을 포함한다.
제2 발광 구조물(rod 2)은 도시된 바와 같이 베이스층(422a)으로부터 연장되어 배치되는 경사면을 포함하여, 제2 발광 구조물(rod 2)은 원뿔 내지 다각뿔의 형상을 가질 수 있다.
그리고, 제1 발광 구조물(rod 1)의 경사면은 베이스층(422a)에 대하여 예각인 제1 경사각(θ1)을 이룰 수 있고, 제2 발광 구조물(rod 2)의 경사면은 베이스층(422a)에 대하여 예각인 제2 경사각(θ2)을 이룰 수 있다. 제1 경사각(θ1)과 제2 경사각(θ2)은 서로 다를 수 있으며, 이때 제1 발광 구조물(rod 1)의 경사면으로부터 방출되는 광의 파장과 제2 발광 구조물(rod 2)의 경사면으로부터 방출되는 광의 파장이 서로 다를 수 있다.
제1 발광 구조물(rod 1)의 상부면에서 제1 파장 영역의 광(λ1)이 방출되고, 경사면에서 제2 파장 영역의 광(λ2)이 방출되며, 제2 발광 구조물(rod 2)의 경사면에서 제3 파장 영역의 광(λ3)이 방출될 수 있다. 예를 들면, 제1 발광 구조물(rod 1)의 플랫한 상부면이 결정 결함이 없는 [0001]면을 이루고 경사면과 제2 발광 구조물(rod 2)의 경사면이 반극성(semi-polar)의 [101-1]면 또는 [112-2]을 이룰 경우, 상기 상부면에서 방출되는 제1 파장 영역의 광(λ1)과 상기 경사면들에서 제2 파장 영역의 광(λ2)과 제3 파장 영역의 광(λ3)이 혼합되어 백색광을 구현할 수도 있다.
갭 필링층(470)은 제1 발광 구조물(rod 1)과 제2 발광 구조물(rod 2) 사이의 갭을 채우며 배치될 수 있다.
도 5는 발광소자의 제3 실시예의 단면도이다.
이하에서 발광소자의 제3 실시예를 설명하되, 상술한 제1 실시예 및 제2 실시예와의 차이점을 위주로 설명한다.
본 실시예에 따른 발광소자(500)는 발광 구조물의 형상이 제1 실시예와 상이하다. 즉, 서로 형상이 다른 제1 발광 구조물(rod 1)과 제2 발광 구조물(rod 2) 및 제2 발광 구조물(rod 3)이 배치된다.
도 5에서 각각 2개의 제1 발광 구조물(rod 1)과 제2 발광 구조물(rod 2)과 제3 발광 구조물(rod 3)이 배치되는데, 도시된 것보다 훨씬 많은 개수의 제1 발광 구조물(rod 1)과 제2 발광 구조물(rod 2)과 제3 발광 구조물(rod 3)이 구비되나, 제조 공정을 고려하면 발광소자(500)의 제1 영역에는 제1 발광 구조물(rod 1)이 구비되고 제2 영역에는 제2 발광 구조물(rod 2)이 구비되고 제3 영역에는 제3 발광 구조물(rod 3)이 구비될 수 있다.
마스크층(580)은 베이스층(522a)과 돌출 구조물(522b)를 나눌 수 있고, 제1 발광 구조물(rod 1)과 인접한 영역과, 제2 발광 구조물(rod 2)과 인접한 영역과, 제3 발광 구조물(rod 3)과 인접한 영역에서 마스크층(580) 사이의 이격 간격은 서로 다를 수 있다.
제1 발광 구조물(rod 1)은 도시된 바와 같이 베이스층(522a)으로부터 연장되어 배치되는 경사면과, 상기 경사면의 상부에 플랫(flat)하게 배치되며 상기 베이스층(322a)의 표면과 나란한 상부면을 포함한다.
제2 발광 구조물(rod 2)은 도시된 바와 같이 베이스층(522a)으로부터 연장되어 배치되는 경사면을 포함하여, 제2 발광 구조물(rod 2)의 단면은 원뿔 내지 다각뿔의 형상을 가질 수 있다.
제3 발광 구조물(rod 3)은 도시된 바와 같이 베이스층(522a)으로부터 연장되어 배치되는 측면과 상기 측면으로부터 연장되어 배치되는 경사면을 포함하며, 제3 발광 구조물(rod 3)의 단면은 원뿔 내지 다각뿔의 형상을 가질 수 있다.
그리고, 제1 발광 구조물(rod 1)의 경사면은 베이스층(522a)에 대하여 예각인 제1 경사각(θ1)을 이룰 수 있고, 제2 발광 구조물(rod 2)의 경사면은 베이스층(522a)에 대하여 예각인 제2 경사각(θ2)을 이룰 수 있다. 제3 발광 구조물(rod 3)의 측면이 베이스층(522a)과 이루는 제3 경사각(θ3)은 직각일 수 있으며, 상기 측면과 경사면이 이루는 제4 경사각(θ4)은 예각일 수 있다.
제1 경사각(θ1)과 제2 경사각(θ2)과 제3 경사각(θ3)과 제4 경사각(θ4)은 서로 다를 수 있다. 이때, 제1 발광 구조물(rod 1)의 경사면과 상부면으로부터 각각 방출되는 광의 파장(λ1,λ2)들과, 제2 발광 구조물(rod 2)의 경사면으로부터 방출되는 광의 파장(λ3)과, 제3 발광 구조물(rod 3)의 측면과 경사면으로부터 방출되는 광의 파장(λ4,λ5)들이 서로 다를 수 있다.
예를 들면, 제1 발광 구조물(rod 1)의 플랫한 상부면이 결정 결함이 없는 [0001]면을 이루고, 제2 발광 구조물(rod 2)의 경사면이 [101-1]면을 이루고, 제3 발광 구조물(rod 3)의 측면이 [112-0]면을 이룰 경우, 제1 발광 구조물(rod 1)의 플랫한 상부면에서 방출되는 제1 파장 영역의 광(λ1)과 제2 발광 구조물(rod 2)의 경사면에서 방출되는 제3 파장 영역의 광(λ3)과 제3 발광 구조물(rod 3)의 측면에서 방출되는 제4 파장 영역의 광(λ4)이 혼합되어 백색광을 구현할 수도 있다.
그리고, 제1 발광 구조물(rod 1)의 경사면에서 방출되는 제2 파장 영역의 광(λ2)과 제3 발광 구조물(rod 3)의 경사면에서 방출되는 제5 파장 영역의 광(λ5)은, 상술한 제1 경사각(θ1)과 제4 경사각(θ4)에 따라, 제2 발광 구조물(rod 2)의 경사면에서 방출되는 제3 파장 영역의 광(λ3)과 동일하거나 다른 파장 영역의 광일 수 있다.
갭 필링층(470)은 제1 발광 구조물(rod 1)과 제2 발광 구조물(rod 2)과 제3 발광 구조물(rod 3) 사이의 갭을 채우며 배치될 수 있다.
상술한 실시예들에서, 각각의 발광 구조물들(rod 1 ~rod 3)의 경사면이나 상부면 또는 수직한 측면에서 방출되는 광의 파장 범위가 다른 것은, 상기 경사면과 상부면 및 측면의 결정 결함과 결정면이 다르고, 그에 따라 각 결정면에 스트레인(strain)이 달라지고 또한 인듐(indium) 함량이 다름에 기인할 수 있다.
도 6은 발광소자에서 방출되는 광의 파장 분포를 나타낸 도면이다.
상술한 실시예에 따른 발광소자들에서 서로 다른 색온도를 가지는 3개의 광이 방출될 수 있으며, 일 예로서 500 K(Kelvin)와 500K 및 6500 K의 색온도를 가지는 광들이 발광소자에서 각각 방출되고 있으며, 각각의 광들이 혼합되어 백색을 구현할 수 있다.
상술한 실시예들에 따른 발광소자는, 나노 스케일의 발광 구조물의 성장에서 전위 등의 결정 결함을 감소시켜서 품질이 향상될 수 있다. 그리고, 나노 스케일의 발광 구조물의 경사진 측면과 플랫한 상부면이 서로 다른 결정면을 가져서 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하거나, 서로 다른 형상의 발광 구조물의 측면과 상부면 등이 서로 다른 결정면을 가져서 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하므로, 형광체 없이 백색광을 구현할 수 있어서 발광소자 패키지의 광의 손실을 줄이고 색온도나 연색 지수 등을 용이하게 조절할 수 있다.
도 7은 도 3 등의 발광소자가 플립 칩 타입으로 배치된 발광소자 패키지를 나타낸 도면이다.
캐비티를 가지는 지지 기판(600) 위에 제1 전극 패드(621)과 제2 전극 패드(622)가 접합층(610)을 통하여 고정될 수 있다. 도 7에서 지지 기판(600)에 형성되는 캐비티의 측벽은 바닥면과 둔각으로 배치되나, 직각으로 배치될 수도 있다.
그리고, 발광소자(300)는 도 3과 비교하여 상/하가 역전되어 플립 칩 타입으로 배치될 수 있는데, 발광소자(300)의 제1 전극(365)과 제2 전극(375)이 각각 제1 전극 패드(621)와 제2 전극 패드(622)에 직접 본딩될 수 있다.
이러한 구조는 전극과 전극 패드 사이의 결합을 위한 별도의 범프(bump)가 필요 없고, 발광 구조물(320)에서 방출된 빛은 도 7의 상부 방향으로 진행할 수 있다.
발광소자 패키지는 상술한 구성 외에 몰딩부 등의 구성을 포함할 수 있다.
발광소자 패키지는 상술한 실시예들에 따른 발광소자 중 하나 또는 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상술한 발광소자 내지 발광소자 패키지는 조명 시스템의 광원으로 사용될 수 있는데, 일예로 영상표시장치의 백라이트 유닛과 조명 장치에 사용될 수 있다.
영상표시장치의 백라이트 유닛으로 사용될 때 에지 타입의 백라이트 유닛으로 사용되거나 직하 타입의 백라이트 유닛으로 사용될 수 있고, 조명 장치에 사용될 때 등기구나 벌트 타입의 광원에 사용될 수도 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500: 발광소자 115: 버퍼층
110, 210, 310, 410, 510: 기판
120, 220, 320, 420, 520: 발광 구조물
265, 365, 465, 565: 제1 전극
270, 360, 370, 460, 470, 560, 570: 갭 필링층
275, 375, 475, 575: 제2 전극
280, 380, 480, 580: 마스크층
322a, 422a, 522a: 베이스층
322b, 422b, 522b: 돌출 구조물
600: 발광소자 패키지

Claims (15)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고,
    상기 발광 구조물의 활성층은 서로 다른 결정면을 가지는 제1 발광면과 제2 발광면을 포함하는 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 발광 구조물은 서로 다른 형상을 가지는 제1 발광 구조물과 제2 발광 구조물을 포함하는 발광소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 발광면과 제2 발광면은 각각 제1 발광 구조물과 제2 발광 구조물 상에 배치되는 발광소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 발광면은 결정면이 무극성인 발광소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 발광면은 황색 또는 녹색 파장 영역의 광을 방출하는 발광소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 발광면은 결정면이 반극성인 발광소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 발광면은 청색 파장 영역의 광을 방출하는 발광소자.
  8. 기판; 및
    상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고,
    상기 발광 구조물은 서로 다른 형상의 제1 발광 구조물과 제2 발광 구조물을 포함하고,
    상기 제1 발광 구조물은 플랫 탑과 경사면을 가지고, 상기 제2 발광 구조물은 측면을 가지는 발광소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 발광 구조물의 측면은 수직면 또는 경사면인 발광소자.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 발광 구조물의 활성층은 서로 다른 결정면을 가지는 상기 플랫 탑의 제1 발광면과 상기 경사면의 제2 발광면을 포함하는 발광소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 발광 구조물은 제3 발광면을 포함하는 발광소자.
  12. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 제1 발광면은 결정면이 무극성인 발광소자.
  13. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 제2 발광면은 반극성인 발광소자.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제3 발광면은 결정면이 반극성인 발광소자.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 발광면 내지 제3 발광면은 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하는 발광소자.
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